Надежность систем пожарной сигнализации
Основные характеристики противопожарных систем – надежность и достоверность обнаружения пожароопасной ситуации. Без учета этих характеристик невозможно спроектировать работоспособную систему и обеспечить реальную защиту объекта от пожара. В действующих нормативных документах приводятся требования к надежности только пожарных извещателей и приемно-контрольных приборов. Эти требования настолько низкие, что их выполнения недостаточно для того, чтобы обеспечить достаточную надежность системы.
Нормативные требования к надежности
Надежность приемно-контрольных приборов
В НПБ 75-98 Приборы приемо-контрольные пожарные. Приборы управления пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний указано, что приборы приемно-контрольные пожарные (ППКП) должны быть восстанавливаемыми и обслуживаемыми изделиями, средняя наработка на отказ должна составлять на шлейф не менее 40 000 часов (ч) для ППКП малой емкости (до 5 шлейфов сигнализации) и не менее 30 000 ч – для ППКП средней (от 6 до 20 шлейфов сигнализации) и большой (свыше 20 шлейфов сигнализации) емкости. Вероятность возникновения отказа, приводящего к ложному срабатыванию, за 1000 ч работы не должна превышать значения 0,01, среднее время восстановления – не более 6 часов, средний срок службы – не менее 10 лет.
Значит, если прибор имеет 20 шлейфов, то допускается появление отказов в среднем через 1500 ч, то есть примерно каждые 2 месяца, а если 60 шлейфов – то один раз в 3 недели. За 10 лет 20-шлейфный прибор может потребовать 60 ремонтов, а 60-шлейфный – 175 ремонтов.
Надежность дымовых пожарных извещателей
Согласно НПБ 65-97 Извещатели пожарные оптико-электронные. Общие технические требования. Методы испытаний средняя наработка на отказ оптических извещателей должна быть не менее 60 000 ч, а средний срок службы извещателя должен быть не менее 10 лет. Примем плотность распределения вероятности отказа извещателя постоянной, тогда исходя из средней наработки на отказ одного пожарного извещателя, равной Тср1=60 000 ч, его максимальная наработка на отказ составит Тмакс1=120 000 ч (рис. . В данном случае вероятность отказа одного извещателя за 10 лет равна Ротк1=0,73, то есть из 100 извещателей через 10 лет работоспособными останутся только 27 штук.
Рис. Распределение плотности вероятности отказа 1 и 2-х дымовых извещателей
Для повышения надежности с давних времен в России введено требование установки в каждом помещении не менее 2 извещателей на случай отказа одного из них. Однако, если используется ненадежная техника, то ситуация при этом улучшается незначительно. При вероятности отказа одного извещателя Ротк1=0,73 за 10 лет, вероятность отказа 2-х извещателей снизится всего лишь до Ротк2=0,73×0,73=0,5329, т.е. только в 1,37 раза. Таким образом, если вероятность отказа 2 извещателей в течение 10 лет (то есть 87 600 часов) равна Ротк2=0,5329, то вероятность отказа, равная 1, будет достигнута через Тмакс2=164 383 ч, следовательно, средняя наработка на отказ повысится с Тср1=60 000 ч всего лишь до Тср2=164 383/2=82 191,5 ч. Причем и эти значения будут достигнуты только при условии независимости отказа каждого извещателя, что, конечно, не всегда выполняется. Если используется элементная база или схемотехнические решения, обуславливают нарушение работоспособности извещателя в определенных условиях, то произойдет одновременный отказ всех извещателей, и система станет полностью неработоспособной, несмотря на резервирование.
Совершенно непонятно, почему были заложены такие низкие требования по надежности пожарных извещателей и приемно-контрольных приборов. Причем по НПБ 66-97 Извещатели пожарные автономные. Общие технические требования. Методы испытаний, автономные дымовые извещатели также должны иметь среднюю наработку на отказ не менее 60 000 ч, хотя они устанавливаются по одному на помещение.
Надежность тепловых пожарных извещателей
Согласно НПБ 76-98 Извещатели пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний средняя наработка на отказ для тепловых пожарных извещателей, не потребляющих электрический ток, то есть для контактных извещателей, должна быть не менее не менее 200 000 ч, и средний срок службы также должен быть не менее 10 лет. В этом случае Тср1=200 000 ч уже составляет 22,83 года, все извещатели откажут через Тмакс1=45,66 года, и в течение срока службы за 10 лет только 21,9% извещателей могут потребовать замены.
При резервировании вероятность отказа 2-х извещателей за 10 лет снижается более, чем в 4,5 раза до Ротк2=0,04 То есть из 100 пар извещателей неработоспособными окажутся только 5, а средняя наработка на отказ пары тепловых извещателей превышает 100 лет.
Рис. Распределение плотности вероятности отказа 1 и 2-х тепловых извещателей
Реальная надежность пожарного извещателя
Надежность любого электронного устройства зависит от уровня разработки, от надежности каждого электронного компонента и их числа, от технологии сборки, тестирования и других факторов. Сложность контроля этого параметра и специфика формирования рынка противопожарных систем объясняет присутствие в нем наряду с высоконадежными устройствами таких извещателей, вероятность отказа которых на входном контроле составляет более 10%, а через год может превышать 50%.
Рис. Распределение плотности вероятности отказа аппаратуры
На рис. 3 кривая 1 – это типовое распределение плотности вероятности отказа электронной аппаратуры. Можно выделить три области: I – приработка изделий, на этом этапе происходит отказ ненадежных элементов, выявление некачественной пайки и т.д.; II – период времени, соответствующий наименьшей вероятности отказа изделия; III – этап отказов элементов изделия в результате старения.
Такая зависимость характерна для низкокачественной радиоэлектронной аппаратуры. В наихудшем случае кривая 1 может трансформироваться в кривую 2, где этап приработки и старения практически совмещены. Этот случай соответствует изделиям с недопустимо низкой надежностью – примерно за год происходит отказ всех изделий. Так как в любом случае площадь под кривой распределения плотности вероятности равна 1, то положение кривой 2 намного выше среднего уровня кривой 1.
Характер зависимости может существенно отличаться от приведенных примеров. Использование кустарных способов изготовления изделия, электронных элементов с истекшим сроком хранения, печатных плат с окислившимися проводниками наряду с другими подобными обстоятельствами определяют характерный всплеск отказов извещателей после 0,5 — 1 года эксплуатации, которые происходят из-за коррозии соединений навесных элементов. Именно этими причинами объясняются короткие сроки гарантии некоторых производителей. Только при обеспечении высокого уровня производства и использовании современных технологий и высококачественной специализированной элементной базы можно обеспечить высокую надежность извещателя и дать гарантию на 3 — 5 лет.
Кривая 3, изображенная на рис. 3, обозначает распределение плотности вероятности отказа высококачественной электронной аппаратуры: этап приработки отсутствует благодаря проведению компьютерных тестов с максимальной глубиной (до номинала каждого элемента и до каждой цепочки алгоритма) и электрической тренировке извещателя. Средняя наработка на отказ высококачественного извещателя составляет 500 000 — 700 000 часов, то есть может достигать 80 лет. Следовательно, этап старения начинается за пределами всех разумных сроков эксплуатации извещателя. Таким образом, кривая 3 плотности распределения вероятности отказа качественного извещателя на всем этапе срока эксплуатации имеет вид прямой, располагающейся практически на нулевом уровне.
Расчет средней наработки на отказ
Исходными значениями для расчета являются средние вероятности отказа каждого элемента в час с коэффициентом 10 -9 (то есть в миллиардных долях), эти значения для различных режимов работы предоставляют все ведущие производители электронных компонентов.
В зависимости от выбранной элементной базы можно получить одно и то же изделие с различной надежностью. Например, средняя вероятность отказа в час SMD-резисторов и конденсаторов различного типоразмера равна 5 x 10 -9 , и при использовании 30 таких элементов средняя вероятность отказа в час любого из них увеличится в 30 раз и составит 150 x 10 -9 .
Более сложные элементы могут иметь более высокие значения, например, средняя вероятность отказа в час интегральной микросхемы равна 300х10 -9 . В сумме для европейского дымового пожарного извещателя 2351Е (аналог российских извещателей ИП 212-73 и ИП 212-60А) средняя вероятность отказа за час составляет 2050 x 10 -9 , за год 8760 x 2050 x 10 -9 =0,017959, следовательно, средняя наработка на отказ превышает 55 лет.
Расчетные характеристики подтверждаются реальной статистикой: число возвратов извещателей ИП 212-73 составляет в среднем один на более чем 30 000 поставляемых извещателей. Качественные надежные извещатели не требуют резервирования и во всем мире ставятся по одному на помещение, при обеспечении контроля всей его площади. По европейским нормам дымовой извещатель контролирует площадь в виде круга радиусом 7,5 м, тепловой – радиусом 5,3 м.
Размещение пожарных извещателей
Необходимо учитывать, что резервирование обеспечивается только при полном выполнении функций одного устройства другим. Начиная с 1984 г. в нормах указывается средняя площадь, контролируемая одним извещателем, а также максимальное расстояние между извещателями, извещателем и стеной в зависимости от высоты защищаемого помещения. По СНиП 2.04.09-84 Пожарная автоматика зданий и сооружений и по действующему в настоящее время НПБ 88-2001 Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования при высоте до 3,5 м расстояние между дымовыми извещателями не должно превышать 9 м, а от стены – 4,5 м (рис. . При этом в данных документах указывается средняя площадь, контролируемая пожарным извещателем, равная 85 м 2 .
Рис. Размещение дымовых извещателей и радиус контролируемой площади
Общепринятая физическая модель определения пожара на первом этапе в большом помещении с горизонтальным перекрытием: поток дыма с теплым воздухом от очага поднимается к потолку и расходится в горизонтальной плоскости. С увеличением расстояния от очага быстро снижается удельная оптическая плотность среды (близко к обратно квадратичной зависимости) и одновременно падает температура за счет разбавления воздушной среды чистым холодным воздухом. Максимальное расстояние между извещателями определяет допустимое расстояние очага от пожарного извещателя. В нашем примере максимально удаленная от извещателей точка находится в центре квадрата, образованного 4 извещателями, на расстоянии 6,36 м от каждого из них. Отсюда можно заключить, что один дымовой извещатель защищает круг радиусом 6,36 м, площадью 127 м 2 . Средняя площадь, контролируемая одним дымовым извещателем, в данном случае равна 9 x 9=81 м 2 .
Понятно, что при такой расстановке резервирование практически отсутствует, площадь, контролируемая одновременно 2 извещателями, незначительна. Для обеспечения резервирования каждая точка помещения должна контролироваться одновременно 2 извещателями. Если они установлены в помещении размером 9 x 9 м, то резервирование есть, а если в помещении 9 x 18 м, то нет. В последнем случае площадь равна 162 м 2 , и при установленной средней площади контроля одним извещателем, равной 85 м 2 , требуется не менее четырех извещателей!
Рис. Равномерное распределение извещателей по площади
При этом равномерное распределение извещателей по площади не является наилучшим вариантом (рис. . При отказе крайнего извещателя часть помещения остается незащищенной. Лучшие результаты дает вариант расстановки извещателей попарно (рис. , в этом случае обеспечивается полное дублирование извещателей.
Рис. Обеспечение контроля каждой точки двумя извещателями
В НПБ 88-2001 п. 13.1 сказано: аппаратура системы пожарной сигнализации должна формировать команды на управление автоматическими установками пожаротушения или дымоудаления, или оповещения о пожаре, или управления инженерным оборудованием объектов при срабатывании не менее двух пожарных извещателей, расстояние между которыми в этом случае должно быть не более половины нормативного, определяемого по таблицам 5, 8 соответственно. И далее: Для формирования команды управления по п. 13.1 в защищаемом помещении или зоне должно быть не менее: трех пожарных извещателей при включении их в шлейфы двухпороговых приборов или в адресные шлейфы, или в три независимых радиальных шлейфа однопороговых приборов; четырех пожарных извещателей при включении их в два шлейфа однопороговых приборов по два извещателя в каждый шлейф.
Очевидно, что для формирования логики работы в 2-пороговом шлейфе сработка двух извещателей из трех недостаточно иметь три извещателя в помещении, а необходимо обеспечить контроль каждой точки площади помещения одновременно тремя извещателями, для чего в помещении 9 x 18 м необходимо ставить 6 извещателей.
Конечно, сложившаяся практика далека от теории, физический смысл требований в отечественных нормах не поясняется (в отличие от европейских стандартов), действует принцип нечего думать – надо выполнять. Требуется в помещении 2 извещателя – ставим два, по расстояниям проходит – требования выполнены (с учетом п. 13.2 НПБ 88-2001*). Вероятно, это и правильно, ведь как показывают приведенные выше расчеты, для безнадежных извещателей резервирование ситуацию существенно не изменяет, и все их через год придется заменять, а надежные и так будут работать.
Адресные и адресно-аналоговые системы
Качественно более высокую надежность обеспечивают адресные системы с автоматическим контролем работоспособности извещателей и адресно-аналоговые системы, в которых исключен неконтролируемый отказ извещателей. По действующим нормам (п.п. 12.17, 13.2 НПБ 88-2001*) резервирование таких извещателей не требуется, а формирование сигналов оповещения 1-го, 2-го, 3-го типов по НПБ 104 и блокировку инженерных систем допускается производить при активизации одного извещателя. Несмотря на более высокую (по сравнению с неадресными системами) стоимость оборудования, за счет установки одного извещателя на помещение, разветвленного шлейфа с большим числом извещателей (более ста штук), включения запотолочных извещателей в ответвления, а не в отдельный шлейф, даже на небольшом объекте может быть обеспечена экономия общих затрат.
Однако большое число извещателей в одном шлейфе требует, в отличие от неадресных систем, дополнительных мер защиты от короткого замыкания, обрыва шлейфа, высоковольтных импульсов напряжения и иных факторов, хотя в действующие нормы эти требования не введены.
В современных адресных системах, как правило, используется петлевой шлейф (с возможностью ответвления) с устройствами изоляции короткого замыкания. Каждое устройство представляет собой 2 симметричных относительно входа и выхода электронных ключа, которые обеспечивают отключение короткозамкнутого участка при просадке напряжения в шлейфе. Петлевой шлейф автоматически преобразуется в 2 радиальных, и при обрыве работоспособность оборудования сохраняется полностью, а при коротком замыкании отключаются только устройства между соседними изоляторами короткого замыкания, которые встраиваются в базы, непосредственно в извещатели, в модули управления и контроля и т.д. Изоляторы КЗ обычно ставят не реже, чем через 20-30 устройств.
При использовании большого числа изоляторов необходимо при расчете общего сопротивления шлейфа учитывать вносимое ими сопротивление. Например, при сопротивлении одного изолятора 0,2 Ом последовательное сопротивление 100 изоляторов составит уже 20 Ом. Кроме управляемых ключей в состав изоляторов входят варисторы и разрядники для исключения высоковольтных импульсных помех (рис. .
Рис. Изолятор короткого замыкания, встраиваемый в базу извещателя
В системах с пожаротушением с оповещением 4-го и 5-го типов, управлением инженерными системами и т.д. в настоящее время в соответствии с разделом 13 НПБ 88-2001* независимо от типа системы требуется использовать не менее 3 извещателей. В связи с этим некоторые проектировщики считают, что, так как выигрыша в числе извещателей нет, можно ставить неадресную систему. При этом не учитывается, что использование адресных и адресно-аналоговых извещателей с автоматическим контролем работоспособности в системах с пожаротушением обеспечивает надежную работу при любой расстановке, соответствующей требованиям действующих норм, благодаря исключению неконтролируемого отказа извещателей. Кроме того, повышенная за счет интеллектуальной обработки достоверность сигналов Пожар, автоматическое формирование сигналов о необходимости технического обслуживания и т.д. обеспечивают в таких системах практически полное отсутствие ложных сигналов от извещателей. Разница в стоимости между адресно-аналоговыми и неадресными системами с большим запасом будет компенсирована за счет предотвращения ущерба даже от одного ложного запуска автоматического пожаротушения традиционной системой. Не стоит забывать и о том, что высокая вероятность отказа 2 неадресных извещателей из 3 может быть причиной отсутствия автоматического включения пожаротушения во время пожара.
К сожалению, это подтверждается статистикой: в 2000 г. на объектах, оборудованных пожарной автоматикой, было зарегистрировано 2388 пожаров, и только в 48% случаев произошло ее включение (Молчанов В.П. Пожарная автоматика – надежное средство защиты от пожаров, каталог Пожарная автоматика, 2001-200 .
Таким образом, только при использовании современной надежной интеллектуальной системы пожарной сигнализации пожарная автоматика действительно становится надежным средством защиты от пожаров.
Аспекты надежности и живучести пожарной сигнализации
Сравнение структур систем пожарной сигнализации дело хлопотное. У каждого решения есть свои плюсы и минусы. И все же давайте рассмотрим наиболее распространенные структуры, используя такие ключевые термины, как «надежность» и «живучесть». Чем определяется надежность систем пожарной сигнализации? Чем надежность системы отличается от ее живучести? И почему пожарная сигнализация обязана сохранять работоспособность даже после начала пожара.
Первоочередная задача системы пожарной сигнализации обеспечить своевременную эвакуацию людей из здания при пожаре. Очевидно, что длительность эвакуации зависит от «сложности» объекта.
В начале подобной «шкалы сложности» можно поместить, например, небольшой магазин площадью порядка 500 кв. м: в него легко зайти, легко выбежать за 1 минуту в случае пожара. Значительно дальше по шкале придется расположить детские сады, больницы с тяжелобольными, дома престарелых: эвакуация на подобных объектах может проводиться часами.
Что необходимо, чтобы пожарная сигнализация обеспечивала своевременный запуск системы оповещения людей о пожаре, а главное позволяла управлять эвакуацией даже после начала пожара? Вероятно, две вещи: быть надежной — это раз, и живучей при возникновении чрезвычайной ситуации — это два.
В понятие надежности входит:
- с горизонтально-вертикальной структурой;
- с распределенной структурой;
- с кольцевой структурой;
- беспроводных с динамической маршрутизацией.
Начнем с традиционной горизонтально-вертикальной структуры (рис. 1). Кабельная сеть, как правило, имеет один общий стояк с поэтажными ответвлениями. На горизонтальных участках кабеля подключаются кабельные коробки, от которых непосредственно отходят шлейфы сигнализации. Как показано на рисунке, при нарушении целостности (перегорании) кабеля между 1-м и 2-м этажами из строя выходит вся система сигнализации на 2-м и 3-м этажах.
Рис. 1. Горизонтально-вертикальная структура систем пожарной сигнализации
При построении систем пожарной сигнализации на базе приемно-контрольных приборов с распределенной структурой (рис. 2), в которой блоки или расширители связаны по стыку RS-485, как правило, прокладывается всего одна магистраль. При ее повреждении, например, на 2-м этаже, часть здания вновь остается без сигнализации.
Рис. 2. Распределенная структура систем пожарной сигнализации
Как первая, так и вторая структуры обладают минимальным запасом живучести при возникновении чрезвычайных ситуаций и могут выполнять свои функции только на начальном этапе пожара. Перегорание проводов или кабелей (на рисунках обозначено красным крестом) ведет к потере информации с большей части объекта и невозможности как-либо оперативно изменять пути эвакуации людей.
Кольцевая структура (рис. 3) с устройствами отключения короткозамкнутых участков является более живучей при нарушении целостности линии, например, на 2-м этаже, сигналы от адресных извещателей, расположенных на 3-м этаже, пойдут через неповрежденное полукольцо.
Рис. 3. Кольцевая структура систем пожарной сигнализации
Для максимального повышения уровня живучести систем пожарной сигнализации в профессиональных беспроводных системах реализован алгоритм динамической маршрутизации (рис. 4). Радиоканал, как известно, неперегораем, и даже, если часть извещателей по мере развития пожара выйдет из строя, оставшееся оборудование продолжит функционировать в полном объеме, что позволит отслеживать динамику развития пожара и оперативно управлять эвакуацией людей в соответствии со складывающейся обстановкой.
Рис. 4. Беспроводная структура систем пожарной сигнализации с динамической маршрутизацией
Надежность систем пожарной сигнализации
Как уже было сказано, надежность систем пожарной сигнализации определяется несколькими факторами. И, если при современном уровне развития техники удовлетворительная достоверность обнаружения может быть достигнута при любом способе построения систем, то с ложными тревогами дело обстоит иначе.
Наглядный пример из ежедневной практики: лампы дневного света и пожарная сигнализация. Каждый из нас либо сталкивался лично, либо слышал о проблеме ложных срабатываний при близком расположении извещателей и ламп дневного света. Именно поэтому хотелось бы обратить внимание читателей на ложные тревоги, связанные с наведенными электромагнитными помехами в линиях связи, соединительных линиях и шлейфах сигнализации.
Именно поэтому хотелось бы обратить внимание читателей на ложные тревоги, связанные с наведенными электромагнитными помехами в линиях связи, соединительных линиях и шлейфах сигнализации.
Прежде всего, это ложные тревоги, возникающие в результате реакции приемно-контрольного прибора на помехи, наведенные в шлейфе сигнализации (рис. 5). Только представьте себе подобную «гремучую смесь»: длинный шлейф, высокое входное сопротивление самого прибора, высокое сопротивление оконечного резистора шлейфа и режим контроля состояния шлейфа не по току, а по напряжению на входе. Результат: вместо пожарной сигнализации получаем очень хороший детекторный приемник с чувствительной антенной. Щелкнули выключателем освещения - пошла тревога. Отключили насос -пошла тревога. Включили сварочный аппарат - снова тревога.
Рис. 5. Воздействие электромагнитных помех на проводные приемно-контрольные приборы
Два других вида помех напрямую связаны с проводными дымовыми пороговыми извещателями (рис. 6). Наведенная помеха по цепям питания может влиять как на входную, так и на выходную цепь извещателя. Выходные цепи этих извещателей всегда доступны для импульсных помех, тем более, что хорошую фильтрацию в извещателе редко кто делает. Воздействие помехи из шлейфа на входную цепь питания может происходить реже и только в момент замера задымленности в камере извещателя, однако и чувствительность входной цепи больше, чем по выходной. Соответственно, подобная система сигнализации будет скорее постоянно беспокоить, чем обеспечивать пожарную безопасность заказчика.
Рис. 6. Воздействие электромагнитных помех на проводные пожарные извещатели
Можно, разумеется, проложить шлейфы сигнализации минимальной длины и, как положено, на расстоянии не менее 0,5 м от силовых кабелей. Можно применить экранирование кабельных сетей. Но тогда стоимость работ возрастет при неизвестном конечном результате.
Выходом из подобного «замкнутого круга» является использование каналов связи, имеющих больший (по сравнению с традиционными проводными) «иммунитет» к электромагнитным помехам. Речь идет о профессиональных беспроводных системах сигнализации последнего поколения. Предвосхищая скептические оценки читателей, предлагаю обратить внимание на такой параметр, как «степень жесткости по устойчивости к электромагнитным колебаниям». Там, где проводные системы едва обеспечивают II степень, современные беспроводные с легкостью IV степень. Антенны намного короче, соответственно и устойчивость к электромагнитным помехам значительно выше (рис. 7).
Рис. 7. Нечувствительность беспроводных пожарных извещателей к электромагнитным помехам
Таким образом, если взять извещатель с качественной дымовой камерой и обеспечить передачу сигналов по каналам связи без проводов (соответственно, без наведенных помех), количество ложных тревог можно свести практически к нулю. Если при этом существует возможность передавать не просто сформированные извещения об обнаружении возгорания, а передавать еще в цифровом формате текущий уровень задымленности в помещении или запыленности дымовой камеры, который можно проанализировать и оценить, то речь идет о значительном повышении качества обслуживания этих извещателей в процессе эксплуатации.
Выводы: надежность систем пожарной сигнализации:
- тем выше, чем короче общая длина проводных линий: антенны короче;
- тем выше, чем меньше используется «аналоговых» шлейфов и больше используется соединений по «цифровым» каналам: коррекция ошибок при передаче сигналов;
- беспроводных систем выше, чем проводных: существенно ниже влияние электромагнитных помех.
Живучесть систем пожарной сигнализации
Давайте проанализируем живучесть систем пожарной сигнализации в течение двух временных интервалов:
- во время развития пожара на объекте;
- день за днем в процессе текущей эксплуатации.
За последние несколько лет упрощенный взгляд на живучесть системы пожарной сигнализации был пересмотрен. Пришло понимание необходимости обеспечения работоспособности системы пожарной сигнализации (а не только системы оповещения!) на все время, необходимое для эвакуации людей из зданий и помещений. Данные изменения отражены в «Техническом регламенте о требованиях пожарной безопасности» - новом основополагающем федеральном законе в области пожарной безопасности.
Как уже было рассмотрено, из магазина при пожаре вслед за продавцами люди выбегут, максимум, за пару минут, попробуйте тут задержаться! С объектами социального значения ситуация намного сложнее: сколько будет продолжаться эвакуация из 4-этажного дома престарелых? Не меньше часа, а то и двух-трех, подсчитать достаточно трудно. За это время большая часть проводов пожарной сигнализации, естественно, выйдет из строя, и вторичные очаги возгораний в соседнем крыле здания не будут обнаружены. Через лестницы и вентиляционные каналы дым попадает на пути эвакуации, исключая возможность покинуть здание (рис. 8).
Рис. 8. Отсутствие возможности управлять эвакуацией после начала пожара
Необходимо срочно изменить порядок и очередность эвакуации, а так-же, возможно, и режим работы системы дымоудаления на путях эвакуации. Именно по этой причине в 2008 г. в НПБ 104 введена норма на негорючесть соединительных линий в системах оповещения. Однако одной негорючести недостаточно для спасения людей из возникающих дымовых ловушек, необходимо отслеживать распространение дыма по зданию и соответственно менять пути подъезда пожарных расчетов, что под силу только беспроводным системам сигнализации (рис. 9).
Рис. 9. Беспроводные системы: управление эвакуацией после начала пожара
Итак, как же можно повысить живучесть системы пожарной сигнализации в соответствии с современными требованиями? Рассмотрим опыт телекоммуникационных сетей.
Принципиальное качество телекоммуникационных систем - их «многосвязанность», другими словами, сигнал из точки А в точку В может прийти больше чем по одному пути следования. Применяются специальные устройства - маршрутизаторы со встроенной системой автопоиска пути, позволяющие сетям выполнять свои функции даже при выходе из строя нескольких участков. Для этого в маршрутизаторах предусмотрен специальный алгоритм поиска пути передачи сигнала от устройства с одним адресом к другому. При наличии нескольких связанных уровней с кольцевыми линиями появляется достаточное количество резервных обходных путей, следовательно, значительно повышается живучесть сетей.
В системах охранной и пожарной сигнализации (ОПС), как в проводном, так и в беспроводном варианте, эта проблема до сих пор не решалась. Для проводных систем ОПС это относительно дорогое удовольствие, и дальше устройств отключения короткозамкнутых участков или использования кольцевых линий дело не пошло (рис. 3). В беспроводных системах таких задач вообще не ставилось ввиду того, что в своем подавляющем большинстве это были небольшие «любительские» системы.
С появлением на рынке профессиональных беспроводных систем вопрос динамической маршрутизации стал актуальным. Уже на начальном этапе разработки ставилась задача максимально повысить уровень живучести беспроводных систем пожарной сигнализации при возникновении любых нештатных ситуаций на объекте (рис. 4). Конечно, часть оборудования по мере развития пожара может выходить из строя, но та часть помещений, где еще нет открытого огня (а скорость его распространения на два порядка ниже скорости распространения дыма), будет под контролем, что позволит отслеживать динамику развития пожара и принимать адекватные решения.
Иными словами, одним из главных условий динамической маршрутизации в профессиональных беспроводных системах является автоматический поиск кратчайшего маршрута доставки сигнала при изменении условий распространения радиосигнала или выходе из строя тех или иных узлов.
Это позволяет говорить о качественно новом уровне живучести систем пожарной сигнализации при чрезвычайных ситуациях. Появилась уникальная возможность получения сигналов о возгорании в помещениях до тех пор, пока существует хотя бы один пожарный извещатель, и оперативного управления эвакуацией до тех пор, пока существует хотя бы один речевой оповещатель.
Коротко о жизни системы пожарной сигнализации «день за днем»: сколько времени может находиться объект без проведения перепланировок или обычного косметического ремонта отдельных помещений? Год, два. А зачастую даже через пару-тройку месяцев после сдачи объекта в эксплуатацию требуется изменить конфигурацию системы сигнализации, например, часть помещений 2-го этажа решено перестроить. При этом проводная система пожарной сигнализацией постоянно находится в отключенном состоянии то там шлейф надо временно демонтировать, а это сразу несколько помещений без контроля, то здесь оборудование надо перенести: еще целая группа помещений оказалась без защиты. Зачастую действительность такова, что заказчик не вызывает специалистов, которые будут своевременно проводить восстановительные работы. Вот и стоит почти новая, но не работающая система сигнализации по несколько лет. Как говорят связисты: «Связь есть, но она не работает».
Использование беспроводных систем пожарной сигнализации снижает риск возникновения подобных ситуаций. Начался ремонт, извещатель с потолка сняли и положили в ящик стола. Закончился ремонт, извещатель повесили обратно. Система в целом от этого не страдает, никто никаких соединительных линий и шлейфов не обрезает.
Вышесказанное касается отделочных работ, но есть еще электрические сети, компьютерные сети, в конце концов, промышленная автоматика. Каждый из специалистов в своей области, протягивая свои линии связи, так или иначе соприкасается с линиями связи пожарной сигнализации. Не по злому умыслу, но в силу своей недостаточной квалификации, он оставляет неизгладимый след на работоспособности системы пожарной сигнализации. И это изо дня в день, круглый год.
Если учесть, что «под ключ» установить систему пожарной сигнализации в проводном и беспроводном варианте на одном и том же объекте можно при одинаковых затратах, то можно смело утверждать, что переход от проводных систем пожарной сигнализации к беспроводным так же неотвратим, как был неотвратим массовый переход к мобильным средствам связи.
Для крупных распределенных объектов целесообразно применение гибридных (проводных и радиоканальных) систем пожарной сигнализации. При использовании такой структуры прокладывается максимально защищенная кольцевая сигнальная линия-магистраль с радиорасширениями, охватывающими отдельные здания, этажи и помещения. Таким образом, обеспечивается максимальная надежность и живучесть всех уровней системы сигнализации при минимальных затратах.
Выводы: живучесть систем пожарной сигнализации:
- выше у систем, устройства которой могут отправить сигнал тревоги более чем по одному маршруту. Например, использующие кольцевые линии (рис. 3) или динамическую маршрутизацию (рис. 4);
- значительно выше у профессиональных систем, использующих беспроводные технологии, которые по-настоящему являются «неперегораемыми» (рис. 4).
Данная статья является первой попыткой анализа наиболее распространенных структур и классов систем пожарной сигнализации с точки зрения их живучести и надежности:
- выбор системы сигнализации должен проводиться с учетом конфигурации и назначения охраняемого здания, чтобы избежать риска нестабильной работы в жизни «день за днем» и полного отказа оборудования в случае ЧП. Например, для небольшого магазина достаточно будет традиционной проводной системы, а в областной больнице необходимо установить максимально надежную и живучую систему, позволяющую отслеживать динамику развития пожара и оперативно управлять эвакуацией даже после начала пожара;
- именно в области пожарной безопасности проявляются наиболее яркие преимущества современных профессиональных беспроводных систем сигнализации и оповещения.
Надежность систем обеспечения безопасности
В последнее время системы безопасности все больше входят в нашу жизнь и постепенно становятся ее неотъемлемой составляющей. Современные системы охранной и пожарной сигнализации, контроля доступа, мониторинга и диспетчеризации достаточно сложны и в экстремальных ситуациях управляют всем инженерным оборудованием здания, обеспечивая сохранение жизни людей. Поддерживать их в постоянной готовности — чрезвычайно важная задача. В то же время трудности, связанные с достижением безотказности работы аппаратуры, являются причиной того недоверия общества к автоматическим системам сигнализации, которое заставляет нас вместо одного пожарного извещателя устанавливать два, вместо двух — три и даже четыре. На самом же деле главная причина — в нас самих: нас убедили в том, что идеальная надежность, понимаемая как безотказность аппаратуры, недостижима, поэтому слова «надежность» и «безотказность» подсознательно вызывают у нас чувство обреченности. Попробуем разобраться в причинах формирования такого мировоззрения. Ведь именно оно виновато в том, что более 50% пожаров на оборудованных объектах происходит вследствие неработоспособности аппаратуры.
Бытующее сегодня представление о надежности как о безотказности работы, использующее в качестве критерия вероятность отказа, формировалось в первой половине прошлого века. В то время общество осваивало технологии серийного производства, и поэтому вероятностный подход к оценке надежности был очень удобен для анализа производства и управления качеством продукции.
Однако применение этого подхода к оценке надежности систем в процессе эксплуатации наталкивается на некоторые трудности. Система в этом случае рассматривается как механическая смесь устройств, для которой вероятности отказов складываются. Не говоря уже о том, что такой подход не учитывает интеллектуального взаимодействия устройств в современных системах, что может существенно изменить величину их надежности, сами цифры получаются очень странные. Так, если в паспорте на устройство указано значение наработки на отказ, скажем, 60000 часов, то в системе, состоящей всего лишь из 100 устройств, что для современной системы немного, время наработки на отказ составит 600 часов, т.е. отказ в среднем должен происходить каждые три недели?
В соответствии с этой идеологией борьба за повышение надежности систем производится путем снижения вероятности отказов за счет дублирования извещателей, холодного и горячего резервирования устройств. И в результате всех этих действий вероятность отказа все равно не становится равной нулю. Очевидно, что вероятностный подход, хорошо зарекомендовавший себя для задач, связанных с производством, совершенно не решает проблемы эксплуатации. Что, для примера, дает вам знание того факта, что установленный в вашем кабинете пожарный извещатель выйдет из строя с вероятностью, скажем, 0,1%? Это как средняя температура по больнице. Когда точно эта вероятность реализуется? Становится ясно, что вы не можете контролировать выход из строя вашего извещателя. Более того, вы не можете контролировать и надежность всей системы безопасности, какую бы низкую вероятность отказа вы ни заложили. Сказанное может означать только одно: неверно выбран критерий надежности. Но выход есть, если немного изменить точку зрения.
Основная идея заключается в следующем. Если невозможно предотвратить неожиданный выход извещателя из строя, то необходимо обеспечить быстрое восстановление системы сигнализации. Ведь что такое надежность с точки зрения эксплуатации? Это непрерывная работоспособность системы в течение всего срока службы. Обеспечить ее можно, только если научиться быстро диагностировать и восстанавливать систему безопасности. Если мы добьемся того, чтобы время восстановления стало очень малым, то мы сможем утверждать, что наша система работает непрерывно, и, значит, надежность такой системы близка к идеальной. Что такое «малое время восстановления»? Это время, которое мы считаем безопасным для эксплуатации объекта. Современная техника позволяет реализовать достаточно малые времена восстановления систем. Работа по технологии быстрого восстановления позволит обеспечить реальную надежность систем безопасности, и в некоторых случаях, например, в пожарной сигнализации, отказаться от дублирования извещателей и сократить их число на объекте. Требования быстрого восстановления, если их закрепить законодательно, в технических регламентах, будут стимулировать не только разработчиков аппаратуры, но и проектировщиков — располагать извещатели и основные узлы систем безопасности в доступных для ремонта местах, а эксплуатирующие организации — обеспечивать объект обученным персоналом и необходимым ЗИП. Это активный взгляд на надежность, учитывающий не только взаимодействие устройств между собой, но и взаимодействие человека и машины. Надежность не поддерживается щучьим велением или строчкой в паспорте о величине времени наработки на отказ. Надежность надо постоянно обеспечивать.
Таким образом, время восстановления системы безопасности является удобным критерием оценки надежности оборудования в процессе эксплуатации. Конечно, наиболее оптимальные решения мы получим, если будем использовать одновременно два критерия — вероятность отказа и время восстановления. Но при этом критерий переходит больше в экономическую плоскость и определяет то, как часто мы готовы оплачивать ремонты, а критерий позволяет решить задачу кардинально, т.е. создать систему с непрерывной работоспособностью, надежность которой при эксплуатации близка к идеальной.
- быть снабжены системой самодиагностики;
- передавать сигнал, подтверждающий их исправность, на пульт дежурного оператора.
Сокращение времени обнаружения неисправности здесь достигается путем взаимодействия извещателей и ПКП. Для обозначения извещателей и других устройств, обеспечивающих быстрое восстановление системы безопасности, предложено ввести термин . Если диагноз поставлен, остальное — дело правильной организации восстановительных работ. Важная деталь: сигнал должен быть не о неисправности, а подтверждающий исправность, тогда можно будет контролировать и те устройства системы, которые отказали полностью и неспособны выдавать никакие сигналы. При этом под неисправностью понимается не только полный отказ, а невозможность сохранять свои паспортные характеристики, в том числе и характеристики, которые влияют на достоверность определения факторов опасности.
Дымовой пожарный извещатель
с подтверждением исправности
ОДИН ДОМА
Устройствами с подтверждением исправности являются многие применяемые сегодня приборы, пожарные и охранные извещатели. С появлением и развитием микроконтроллеров стало возможным создавать в извещателях эффективную систему самодиагностики на основе контроля аналогового (непрерывно изменяющегося) значения фактора опасности. Проблема передачи сигнала подтверждения исправности не вызывает технических трудностей для адресных систем сигнализации, в которых между извещателем и приемно-контрольным прибором происходит сложный обмен данными. Например, среди пожарных извещателей функции подтверждения исправности реализованы в адресных интерактивных извещателях (Esser, AlgoRex), во многих адресно-аналоговых извещателях и др. В то же время большое количество объектов сегодня оборудуется неадресными системами сигнализации, а для малых объектов применение адресных систем экономически не оправдано. Для оснащения таких объектов системами пожарной сигнализации быстрого восстановления используется дымовой извещатель с подтверждением исправности ОДИН ДОМАR, который совместим с любыми традиционными шлейфовыми приемно-контрольными приборами. Извещатель измеряет аналоговое значение уровня задымленности и снабжен системой самодиагностики. Для передачи сигнала подтверждения исправности на ПКП в нем применен простой и оригинальный способ, использующий уже существующий механизм передачи сообщений в шлейфе. При обнаружении неисправности извещатель производит автоматическое изъятие самого себя из шлейфа сигнализации, и это позволяет использовать его совместно с любым традиционным пультом пожарной сигнализации, так как контроль изъятия извещателя является обязательным требованием норм пожарной безопасности для всех ПКП.
Каким образом извещатель передает постоянно действующий сигнал о своей исправности? Встроенный в извещатель коммутатор шлейфа является нормально-разомкнутым. Правильно работающий извещатель (определяется по результатам самодиагностики) его замыкает, чем и передает сигнал об исправности, обеспечивая целостность шлейфа сигнализации. И если в шлейфе много извещателей, ситуация не меняется. Если все они передают сигнал об исправности, шлейф сохраняет целостность. А если хотя бы один из них выходит из строя (в том числе полностью), он перестает подавать сигнал подтверждения исправности, шлейф разрывается, и это регистрирует ПКП. Поиск неисправного извещателя не представляет труда благодаря его оптической индикации, т.к. при имитации обрыва шлейфа извещатель сам себя не обесточивает и продолжает выдавать сигналы.
При работе в двухполярном шлейфе сигнализации извещатель в случае неисправности разрывает шлейф только на обратной полярности, и это не мешает нормальной полноценной работе других извещателей в том же шлейфе. В тех приборах, которые работают с однополярным шлейфом, неисправность одного извещателя вызывает обрыв шлейфа и нарушает работу других извещателей аналогично тому, как это происходит при изъятии извещателя. Однако автоматическим является только изъятие неисправного извещателя — вкручивать новый необходимо самим. К тому же следует помнить, что нашей главной целью является создание технологии быстрого восстановления системы. Имитация изъятия извещателя — часть этой технологии. Если технологию нарушать — все знают, ничего не получится, поэтому давайте поскорее перейдем к следующей операции — к быстрому устранению неисправности. Только так мы можем достичь цели — быстро восстанавливать систему и победить те 50% пожаров, которые возникают в результате неработоспособности аппаратуры.
Итак, надежность систем безопасности — это не что-то, обрекающее нас на пассивное созерцание несовершенства техники (и вообще, всего в мире). Надежность — это то, что мы можем контролировать и чем можем активно управлять, если мы заинтересованы в собственной безопасности. И важнейшим инструментом здесь являются технологии быстрого восстановления неисправностей.
Автор статьи В.В.Овчинников, кандидат технических наук
Чем обеспечивается надежность электрической системы сигнализации
Практика обеспечения надежности и качества электроснабжения в существующих сегодня условиях работы электроэнергетического комплекса позволяет сделать вывод о необходимости модернизации и технического перевооружения систем электроснабжения высокотехнологичных потребителей, реализующих инновационный путь развития.
Освещавшиеся в СМИ нарушения электроснабжения в мегаполисах (май 2005 г. в Москве и август 2010 г. в Санкт-Петербурге) говорят о том, что система электроснабжения не удовлетворяет следующим возросшим потребностям инновационного потребителя:
• по количеству электроэнергии из-за ограниченной пропускной способности электрических сетей;
• по качеству электроэнергии из-за значительного количества длительных провалов питающего напряжения при коротких замыканиях, а также продолжительных и множественных технологических отключений с возможным нарушением условий безопасности.
Выходом из подобной ситуации является включение в программу инноваций создания собственного источника (СИ) электроэнергии, например, ГТУ—ТЭЦ или мини-ТЭЦ на базе котельной. СИ целесообразно оснастить изощренной системой противоаварийного автоматического управления и соответствующей системой релейной защиты и автоматики. Весь комплекс автоматической системы технологического управления (АСТУ) охватывает ведение рабочих режимов и противоаварийное управление при различных сценариях развития аварий. Попытка сэкономить на АСТУ приведет к неустойчивой работе СИ и потере качества и надежности электроснабжения. Современный автомобиль всегда оснащают совершенной тормозной системой, а вот владельцы СИ не всегда уделяют внимание адекватной АСТУ.
Рассмотрим вариант СИ, заключающийся в создании централизованной АСТУ и интеграции в единый технологический комплекс электрических и информационных сетей района мегаполиса.
Подобная интеграция пока не распространена, однако вполне закономерна, так как на современном этапе развития цивилизации все больше расширяются высокотехнологичные методы развития науки, техники и технологий. Создаются зоны концентрации высокотехнологичных потребителей электроэнергии и информационных услуг. Такими зонами являются университетские городки, районы свободных экономических зон, технопарки, бизнес-инкубаторы, районы мегаполисов, коттеджные поселки, территории инновационных предприятий, спортивно-зрелищных комплексов и т.д. Для России в качестве примера можно привести г. Сочи, п. Сколково (Московская обл.) и др.
Высокотехнологичные потребители предъявляют повышенные требования к надежности функционирования системы электроснабжения, а также нуждаются в удовлетворении все возрастающих потребностей в доступе к информационным ресурсам и средствам связи. Это объясняется объективным процессом усложнения научной и производственно-технической инфраструктуры, систем жизнеобеспечения, безопасности, связи, мониторинга, контроля, защиты и управления с ужесточением требований безопасности при нарушениях электроснабжения.
Повышение эффективности предприятий, обеспечение надежного и бесперебойного снабжения потребителей — основная цель текущих реформ российской электроэнергетики. Распределительные сети являются завершающим звеном в системе обеспечения электрической энергией. Соответственно, на этом сегменте системы электроснабжения возросли риски экономической ответственности за качество работы с конкретным потребителем. При сегодняшнем состоянии энергетики требуются существенные изменения в технологической деятельности.
Предлагаемый проект включает в себя разработку АСТУ для интегрированной электроинформационной сети района мегаполиса и состоит из двух взаимосвязанных частей, направленных на обеспечение энергоэффективности и надежности электроснабжения.
ПЕРВАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА
В первой части рассмотрены проблемы строительства СИ. Термин СИ имеет технический и юридический аспекты. Включение СИ предусматривается в уже существующую систему электроснабжения (СЭС), и поэтому возникают следующие задачи:
• обеспечение радикального снижения времени отключения коротких замыканий (КЗ) по условиям динамической устойчивости агрегатов СИ;
• обеспечение селективности отключения КЗ в элементах СЭС, перешедших в режим работы с двухсторонним питанием;
• обеспечение селективности, чувствительности и резервирования в системах релейной защиты и автоматики (РЗиА) в различных режимах работы СЭС (параллельная работа СИ, изолированная работа СИ и питание от энергосистемы);
• реализация принципов противоаварийного управления мощностью СИ, в том числе отключение генераторов, импульсная разгрузка турбин и т.д.;
• внедрение принципов противоаварийного ограничения мощности нагрузки при выделении СИ на изолированную работу со сбалансированной нагрузкой.
Исследования и разработки методов моделирования и нахождения границ зон устойчивости выделения СИ на изолированную работу показали, что в зависимости от данных предаварийного режима по сочетанию значений активной мощности нагрузки Рнагр и мощности СИ, отпускаемой в СЭС, возможны семь различных сценариев развития переходных процессов (рис. 1).
В общем виде проработаны способы обеспечения устойчивости электроснабжения потребителей при различных сценариях цепочечного развития аварийных ситуаций во всех семи зонах исходного режима. Устойчивость обеспечивается при скоординированном взаимодействии систем регулирования активной и реактивной мощности СИ, распределенной системы автоматической частотной разгрузки с категориями (АЧР-I, АЧР-II и АЧР-III), а также централизованной системы аварийного ограничения нагрузки (САОН) с временем действия 0,1—0,2 сек. Принципиальной особенностью действия очередей АЧР и САОН является обеспечение безопасности потребителей за счет селективных отключений на уровне 0,4 кВ. Реализация требования действия на уровне 0,4 кВ является новым и весьма важным аспектом решения поставленных задач в условиях высокоответственной нагрузки. Конкурирующими вариантами передачи сигналов-команд на противоаварийное управление нагрузкой являются:
• интеграция с иерархической АИИСКУЭ с использованием концентраторов в качестве приемников сигналов-команд нижнего уровня;
• использование силовой сети 6, 10, 20 и 0,4 кВ с передачей сигналов-команд путем быстродействующей манипуляции рабочим напряжением сети.
Наряду с быстродействующим противоаварийным управлением нагрузкой предусматривается оперативное технологическое управление и контроль за счет интеграции АСТУ с АИИСКУЭ, в частности, отключение потребителей-неплательщиков.
Обязательным реализуемым условием выполнения команд на отключение потребителей является учет требований безопасности. Это условие выполняется за счет селективности отключения с учетом приоритетности нагрузки — ради сохранения высокоответственной ее части реализуется временное отключение менее ответственной. В жилом секторе мегаполисов, например, сохраняется аварийное освещение, электропитание котельных, лифтов, систем допуска, подачи воды, пожаротушение, дымоудаление, по квартирам обеспечивается лимитированное по мощности электроснабжение на уровне аварийной брони. В противном случае, как показывает опыт московской аварии 25.05.2005 г., при отключениях на уровне 10 кВ отключаются ТП 10 кВ по домам, улицам, светофорные объекты, останавливается электрифицированный транспорт и т.п.
ВТОРАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА
Во второй части рассмотрена сеть 6—20 кВ электроснабжения с централизованной релейной защитой, интегрированной с многофункциональной сетью связи. Интеграция силовой и информационной сетей обеспечивается путем совмещения в пространстве — на распределительных пунктах (РП) и трансформаторных подстанциях (ТП) — узлов обеих сетей. При этом возможно совпадение трасс прокладки силовых электрических кабелей 6—20 кВ с трассами прокладки оптических (24 жилы) кабелей волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), что может существенно упростить землеотвод.
На рис. 2 показано подключение информационных узлов — локальных модулей (ЛМ) к устройствам РЗиА (РЗ), измерительным трансформаторам тока (ТА) и напряжения (ТV), а также коммутационным аппаратам (в данном случае выключателям — Q). Каждый ЛМ подключен к своему информационному кольцу (ИК) ВОЛС. Выходные команды ЛМ дублируются и подаются на входы устройств РЗиА. Каждое устройство РЗиА взаимодействует с двумя ЛМ. Таким образом, достигается требуемый уровень надежности системы РЗиА и достоверности передаваемой информации.
При таком подходе силовая электрическая сеть теряет свойство распределенности в пространстве и все ТП и РП 6—20 кВ оказываются наблюдаемыми и управляемыми с центрального устройства управления (ЦУУ), на котором располагаются программно-технические комплексы (ПТК) централизованной системы релейной защиты и автоматики (ЦРЗА) и ПТК оперативно-диспетчерского управления и контроля, включая системы АИИСКУЭ.
ЭЛЕКТРОИНФОРМАЦИОННЫЕ СЕТИ
Технико-экономические свойства интегрированной электроинформационной сети проработаны в следующих направлениях:
• реализация потенциальной энергоэффективности собственного источника за счет оптимального ведения режима его работы;
• повышение надежности электроснабжения за счет селективного отключения поврежденных участков сети электроснабжения с автоматическим переносом точки секционирования (РЗ, АВР, УРОВ, АПВ);
• улучшение качества электроснабжения за счет отказа от выдержек времени в алгоритмах работы системы РЗиА. Длительность провала напряжения — 100—150 мс для параллельных присоединений и 300—500 мс — для потребителей поврежденного фидера;
• уменьшение габаритов и стоимости распределительных ТП и РП (компактизация) за счет перехода на выключатели нагрузки и более компактные силовые ячейки 6—20 кВ;
• обеспечение электродинамической устойчивости близлежащих агрегатов электростанции за счет снижения длительности площадки ускорения до 100—150 мс;
• повышение взрыво- и пожаробезопасности за счет уменьшения длительности воздействия токов КЗ до 100—150 мс;
• снижение требований к оборудованию (кабели, конструкции ТП и РП) в части длительности воздействия токов КЗ до 100—150 мс, сохранение ресурса электрооборудования, особенно в давно работающих сетях;
• обеспечение информационной наблюдаемости и управляемости сети электроснабжения за счет высоконадежной дублированной сети связи;
• объективный учет всех оперативных и аварийных событий и явлений в сети электроснабжения;
• непрерывное прямое измерение потерь электроэнергии, выявление хищений и уменьшение коммерческих потерь электроэнергии в каждом узле СЭС;
• обеспечение АИИСКУЭ и отключение потребителей-неплательщиков;
• централизованное управление источниками реактивной мощности, оптимизация режима по качеству напряжения в различных узлах сети электроснабжения, уменьшение технических потерь;
• обеспечение непрерывности работы многофункциональной автоматизированной системы технологического управления (АСТУ).
Основное принципиальное отличие рассматриваемого предложения по созданию интегрированных электроинформационных сетей — реализация принципа двойного назначения за счет диверсификации бизнеса. Кроме электроснабжения обеспечивается информационное обеспечение. Современное общество проявляет свою информационную сущность в форме быстро растущих потребностей в информационном обеспечении и взаимодействии.
В рассматриваемом предложении предусматривается выделение для потребителей в каждом из узлов связи (ТР, РП) до 36 жил ВОЛС во всех направлениях кольцевой сети связи. Подобный ресурс позволит не только удовлетворить типовых информационных потребителей (Интернет, цифровое телевидение, видеонаблюдение, пожарная и охранная сигнализации, системы безопасности и т.д.), но и развернуть различные корпоративные сети связи высокотехнологических установок и производств. Кроме этого, будет предоставлена основа для конкуренции поставщиков информационных услуг, что снизит цены для потребителей при одновременном повышении качества оказания услуг.
Для обеспечения надежности централизованной РЗиА требуется два двунаправленных кольца связи — всего четыре жилы в каждом направлении. Для обеспечения надежности АСТУ, включая АИИСКУЭ, — столько же. Еще четыре жилы ВОЛС — резерв.
Как показывают предварительные расчеты, достигаемое снижение стоимости электрооборудования рассматриваемой «умной сети» позволяет покрыть значительную часть расходов на создание информационной части интегрированной энергоинформационной сети. А доходы за информационное обеспечение соизмеримы с доходами за электроснабжение.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ
ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ
Оценка эффективности применения централизованной электрической сети проводилась для секционированной электрической сети 6—20 кВ, приведенной на рис. 3.
В нормальном режиме потребители подстанций 1—3 получают электроэнергию от С1, однако в случае необходимости сеть может быть реконфигурирована и переведена на раздельное или полное питание от С2, при этом под определение данной модели попадает также и кольцевая схема электроснабжения с питанием от одного источника (С1 и С2 совпадают).
Параметры исследуемой сети, а также вероятностные и временные характеристики работы отдельных ее элементов приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
Примечание. tмтз — время срабатывания максимальной токовой защиты (МТЗ), lзащ1 — защищаемая первой ступенью зона в долях длины соответствующей линии.
Примечание. Данные, приведенные в табл. 2, основаны на многолетней статистике работы систем РЗиА в РЭС и МЭС Центрального и Южного федеральных округов. Временные характеристики работы устройств РЗиА основаны на данных ведущих мировых производителей.
Эффективность работы классической и централизованной систем РЗиА оценивалась в соответствии с международными показателями:
• SAIFI (System Average Interruption Frequency Index — средняя частота появления повреждений в системе) — характеризует среднее число отключений потребителей от сети в год;
• SAIDI (System Average Interruption Duration Index — средняя продолжительность отключения) — характеризует в среднем продолжительность одного отключения в системе в год;
• CAIFI (Customer Average Interruption Frequency Index — средняя частота отключения одного потребителя) — характеризует среднее количество отключений одного потребителя;
• CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index — средняя продолжительность отключения одного потребителя) — характеризует среднее время восстановления питания одного потребителя.
В течение одного месяца исследовалось поведение системы РЗиА, причем моделирование проводилось из расчета 5 лет работы систем РЗиА (300 случаев КЗ). Результаты сравнения приведены в табл. 3 и на рис. 4.
Примечание. При расчете итоговых значений SAIFI и SAIDI для сравнения двух систем РЗиА за единицу приняты соответствующие показатели для децентрализованной РзиА.
Сплошными линиями отмечено накопление продолжительности отключения для децентрализованной РЗиА, пунктирными — для централизованной РЗиА.
Применение интегрированной электроинформационной сети соответствует требованиям инновационного развития электроэнергетики и информационного общества, позволяет создавать «умные электрические сети», интеллектуальную систему РЗиА, существенно уменьшать стоимость реконструкции существующих, а также разрабатываемых систем электроснабжения и выполнять требования надежности обеспечения потребителей различных категорий.
Статья подготовлена по материалам темы Гранта Президента России, НШ-8043.2010.08.